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Fil: Márquez Damián, Santiago. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas; Argentina. The study of multi-phase models is a field of great interest in industry and academia. Multi-phase flows are present in hydraulics, petrochemical industry, oceanography, siderurgy, atomic energy and many other human activities. This field is far from being completely understood and the available tools are still in a developing stage. Nowadays the only general models for this kind of problems are the Direct Numerical Simulation or other models based in the physics of fluids. In this scenario, the aim of this thesis is to develop a new model based on the Volume of Fluid method and the Mixture Model in order to solve multi-phase flows with different interface scales and the transition among them. The interface scale is characterized by a measure of the grid, which acts as a geometrical filter and is related with the accuracy in the solution. This coupled model allows to reduce the grid requirements for a given accuracy. Having this objective in mind, a generalization of the Algebraic Slip Mixture Model is proposed to solve problems involving short and long scale interfaces in an unified framework. This model is implemented using the OpenFOAMR(R) libraries to generate a state-of-the-art solver capable to solve large problems in High Performance Computing facilities. In addition several other contributions were made regarding to the conceptualization of the Mixture Model, the development of a new Riemann-free solver used to solve mixture problems and a set of tools to help in the implementation process. El estudio de modelos multifásicos es un campo de gran interés en la industria y en el ámbito académico. Los flujos multifásicos están presentes en hidráulica, en la industria petroquímica, en oceanografía, siderurgia, energía atómica y muchas otras actividades humanas. Este campo de estudio está lejos de ser completamente comprendido y las herramientas disponibles se encuentran aun en una etapa de desarrollo. Hoy en día los únicos modelos generales para este tipo de problemas son la Simulación Numérica Directa y otros modelos basados en la física de fluidos. En este escenario, el objetivo de esta tesis es desarrollar un nuevo modelo basado en el método de Volumen de Fluido y en el Modelo de Mezcla con el fin de resolver flujos multifásicos con diferentes escalas de interfase y las transiciones entre ellas. La escala para las interfases está caracterizada por una medida asociada al paso de malla, que juega el papel de filtro geométrico y está relacionada con la precisión de la solución. Este modelo acoplado permite reducir los requerimientos de malla para una dada precisión en la solución. Con este objetivo en mente, se propone una generalización del Modelo de Mezcla con Velocidad de Deslizamiento Algebraica para resolver problemas con interfases de pequeña y larga escala en un entorno unificado. El modelo se implementa mediante las librerías OpenFOAM(R) generando un resolvedor a nivel del estado del arte con la capacidad de resolver problemas de gran tamaño mediante equipos de Computación de Alto Rendimiento. Además se realizan otras contribuciones respecto la conceptualización del Modelo de Mezcla, el desarrollo de un resolvedor Riemann-free utilizado para problemas de mezcla y un conjunto de herramientas de ayuda en el proceso de implementación informática. Universidad Nacional del Litoral Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica Fundaçao de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas

Fil: Venier, César Martín. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas; Argentina. En esta tesis se presenta un estudio exhaustivo del Modelo de Dos Fluidos con asistencia de la Teoría Cinética-Friccional para flujos granulares implementado en el marco del Método de Volúmenes Finitos. Se hace énfasis en el acoplamiento de las variables por medio de las fuerzas interfaciales, la restricción de incompresibilidad, la conservación de masa de cada fase y las teorías de cierre reológicas para la fase granular. Asimismo, se realiza un estudio comparativo de formulaciones con distintos grados de conservatividad de los términos de advección en ambas ecuaciones de balance de momento lineal, donde se busca determinar cuáles resultan más adecuadas para cada condición de flujo. Por otra parte, se propone una metodología para determinar rangos de estabilidad de los algoritmos, con la finalidad de extenderla al estudio de acoplamiento entre fases. Los resultados de este análisis son de gran valor para determinar los parámetros que rigen las tasas de convergencia de los modelos multifásicos, en pos de minimizar los elevados costos computacionales normalmente involucrados. Con la implementación optimizada sobre la estructura general de la suite OpenFOAM se evalua el desempeño de los modelos físicos de mayor influencia en la hidrodinámica de los lechos fluidizados en distintas condiciones de fluidización. Teniendo en cuenta todos estos aspectos, la presente tesis busca sentar bases sólidas para el estudio de problemas multifásicos con presencia de una fase granular por métodos Eulerianos y así, formar criterios en términos de estabilidad, conservatividad y convergencia del modelo ante distintas condiciones físicas y numéricas del problema. This thesis presents an exhaustive study of the Two Fluids Model with assistance from the Kinetic-Frictional Theory for granular flows implemented within the framework of the Finite Volume Method. Emphasis is placed on the coupling of the variables through interfacial forces, the restriction of incompressibility, the conservation of mass of each phase and the rheological closing theories for the granular phase. Likewise, a comparative study of formulations with different degrees of conservativity of the advection terms in both linear momentum equations is carried out, which seeks to determine which are more suitable for each flow condition. On the other hand, a methodology is proposed to determine the ranges of stability of the algorithms, in order to extend it to the study of coupling between phases. The results of this analysis are of great value to determine the parameters that govern the convergence rates of the multiphase models, in order to minimize the high computational costs normally involved. With the optimized implementation on the general structure of the OpenFOAM suite, the performance of the physical models with the greatest influence on the hydrodynamics of fluidized beds in different fluidization conditions is evaluated. Taking into account all these aspects, this thesis seeks to lay solid foundations for the study of multiphasic problems with the presence of a granular phase by Eulerian methods and thus, to form criteria in terms of stability, conservativity and convergence of the model against different physical and numerical conditions of the problem. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas Universidad Nacional del Litoral Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica Universidad Tecnológica Nacional

Fil: Aguerre, Horacio Javier. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas; Argentina. Los motores de combustión interna ocupan un papel central en la matriz energética mundial significando más de la mitad del consumo total de recursos fósiles a nivel mundial. Dentro de este contexto, es primordial incrementar los esfuerzos en investigación para el desarrollo de nuevas tecnologías que busquen aumentar la eficiencia de los motores y así reducir las emisiones contaminantes. En este escenario, esta tesis presenta técnicas de simulación computacional de motores de combustión interna que tienen como objetivo posibilitar simulaciones de ciclo completo en tiempos de cálculo reducidos. Se proponen modelos diseñados para funcionar en arquitecturas de cómputo en paralelo y se conciben bajo la premisa de alta escalabilidad y eficiencia computacional. En detalle, se estudian diferentes técnicas de mallas dinámicas profundizando sobre el estudio de interfaces no conformes y cambios topológicos para abordar la interacción entre las partes móviles del motor y las grandes deformaciones volumétricas del cilindro respectivamente. Atendiendo a las características de estos modelos de malla dinámica se diseña un estrategia Lagrangiana de seguimiento de partículas para simular la fase líquida de combustible. Para representar la atomización de combustible se implementa un modelo híbrido de atomización estudiando la sensibilidad a sus parámetros y validando los resultados con datos experimentales. Los desarrollos de malla dinámica e inyección de combustible se aplican en la simulación de un motor de pistones opuestos de desarrollo regional evaluando la robustez y eficiencia computacional de los métodos desarrollados en un estudio paramétrico del proceso de inyección de combustible. Internal combustion engines have an essential influence in the global energy matrix since they represent more than half of the global consumption of fossil fuels. In this context, research efforts for new technologies must be done in order to improve engine efficiency and reduce pollutant emissions. In view of this, this thesis present simulation techniques for internal combustion engines which are conceived to perform whole-cycle simulations in reduced computational times. The models are designed to work with parallel computational architectures aiming to achieve high scalability and computational performance. In detail, several dynamic mesh techniques are studied focusing on non-conformal interfaces and topological mesh changes. These new developments are conceived to handle the interaction between the engine moving parts and to manage the great domain deformations of the cylinder region. In concordance with the features of the dynamic mesh techniques, a Lagrangian strategy for particle tracking is designed to simulate the liquid phase regarding fuel injection. For the liquid atomization, a hybrid model is implemented and a sensitivity study of its parameters is performed to validate the model with experimental data. The new developments are applied over an opposite piston engine which is being developed in the region. The stability and computational performance of the new numerical methods are evaluated studying the numerical influence of some injection parameters on the opposite piston engine performance. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas Universidad Nacional del Litoral Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica Universidad Tecnológica Nacional